專利名稱：具有改善的壓縮屈服強(qiáng)度的鐵-鉻合金及其制造與使用方法
具有改善的壓縮屈服強(qiáng)度的鐵-鉻合金及其制造與使用方法
背景技術(shù)：
更為嚴(yán)格的柴油機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放法律和內(nèi)燃機(jī)的高功率輸出已經(jīng)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)上的變化，包括在柴油機(jī)中需要高壓電子燃料噴射系統(tǒng)和在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中需要化學(xué)計(jì)量燃燒。按照新設(shè)計(jì)建構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用比先前的設(shè)計(jì)更高的燃燒壓力、更高的工作溫度和更少的潤滑。新設(shè)計(jì)的部件包括氣門座圈(VSI)經(jīng)受明顯更高的磨損率。進(jìn)氣和排氣門座圈與氣門例如必須能夠以最低磨損(例如磨蝕、粘附和腐蝕磨損)承受大量氣門沖擊活動(dòng)和燃燒活動(dòng)。這已經(jīng)推動(dòng)了材料選擇方面向著與柴油和天然氣工業(yè)通常采用的氣門座圈材料相比具有改善的耐腐蝕性的材料的轉(zhuǎn)變。柴油機(jī)開發(fā)中的另一新興趨勢是使用EGR (廢氣再循環(huán))。采用EGR，廢氣送回至吸入的空氣流中以減少廢氣排放中的氮氧化物(NOx )含量。在柴油機(jī)或天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中使 用EGR可提高氣門座圈的工作溫度。因此，需要用于使用EGR的柴油機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的具有良好機(jī)械性質(zhì)(包括熱硬度和壓縮屈服強(qiáng)度)的更低成本的氣門座圈。此外，由于廢氣含有可能生成酸的氮、硫、氯和其它元素的化合物，因此對(duì)于使用EGR的柴油機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)而言，提高了對(duì)氣門座圈用合金的改善的耐腐蝕性的需要。酸可侵襲氣門座圈和氣門，導(dǎo)致過早的發(fā)動(dòng)機(jī)故障。發(fā)明概述鉻-鐵合金按重量％計(jì)包含1至3%的C (優(yōu)選I. 5至2. 3%、進(jìn)一步優(yōu)選I. 6至2. 2%)、I至3%的Si (優(yōu)選I. 6至2. 3%、進(jìn)一步優(yōu)選I. 7至2. 3%)、至多3%的Ni (優(yōu)選0. 2至2. 2%)、25至35%的Cr (優(yōu)選27至34%、進(jìn)一步優(yōu)選28至32. 5%)、I. 5至3%的Mo (優(yōu)選I. 7至2. 5%)、至多2%的W (優(yōu)選0. 04至2%、進(jìn)一步優(yōu)選0. 4至I. 5%)、2. 0至4. 0%的Nb(優(yōu)選2. 2至3. 6%)、至多3. 0%的V (優(yōu)選至多1%)、至多3. 0%的Ta (優(yōu)選至多1%)、至多I. 2%的B (優(yōu)選至多0. 7%)、至多1%的Mn (優(yōu)選0. I至0. 6%)和43至64%的Fe以及偶存雜質(zhì)。在優(yōu)選實(shí)施方案中，所述鉻-鐵合金按重量％計(jì)包含I. 9至2. 0%的C、2至2. 1%的Si、I. 6 至 2. 0% 的 Ni,31. 3 至 31. 9% 的 Cr、I. 9 至 2. 0% 的 Mo、I 至 I. 5% 的 W、3. I 至 3. 4% 的Nb、0. 003 至 0. 05% 的 V、至多 0. 5% 的 Ta、0. 4 至 0. 6% 的 B、0. 2 至 0. 5% 的 Mn 和 54 至 56%的Fe以及偶存雜質(zhì)。所述鉻-鐵合金具有由一次碳化物(約40至60體積％、優(yōu)選約50體積％)和具有富Nb (碳化物、氮化物、碳氮化物)強(qiáng)化相的高Cr/Mo鐵素體(約40至60體積％、優(yōu)選約50體積％)基質(zhì)組成的鑄態(tài)顯微組織。本文中用于描述數(shù)字值的術(shù)語“約”意欲覆蓋該數(shù)字值加或減10%的范圍。所述一次碳化物優(yōu)選為2. 5微米或更小的針狀碳化物，所述強(qiáng)化相優(yōu)選為10微米或更小的多面體形狀的碳化物、氮化物和/或碳氮化物。所述鉻-鐵合金可以是鑄件，該鑄件具有40至56Rockwell C的鑄態(tài)材料硬度(材料硬度)；約75 450至500的、約1000 280至300的、約1600 55至70的熱硬度(HVlO);約75 80至220KSi的、約1000 60至130的壓縮屈服強(qiáng)度；8X1(T6至13X10_6/°C的線性熱膨脹系數(shù)。
上述鉻-鐵合金用作發(fā)動(dòng)機(jī)(如柴油機(jī)或天然氣發(fā)動(dòng)機(jī))用的氣門座圈。所述座圈優(yōu)選地表現(xiàn)出在約1200 °F下時(shí)效(aging)約20小時(shí)后每英寸座圈外徑(0. D.)變化小于
0.3X 10_3英寸的尺寸穩(wěn)定性。提供了一種運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法。在運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)如柴油機(jī)或天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，氣門對(duì)氣門座圈關(guān)閉以關(guān)閉內(nèi)燃機(jī)的氣缸，燃料在氣缸內(nèi)被點(diǎn)燃以運(yùn)行該內(nèi)燃機(jī)。該氣門優(yōu)選由高鉻鐵基合金或高溫鎳基超級(jí)合金組成；或該氣門是用由碳化物強(qiáng)化的高溫耐磨損合金表面硬化過的。提供了一種制造上述鉻-鐵合金的方法。該鉻-鐵合金可以在約2700 T至約3000 T的溫度下由熔體澆鑄為成形部件；或該鉻-鐵合金的粉末可以壓制為成形部件并在約1950 °F至約2300 °F的溫度下在還原性氣氛中燒結(jié)。所述還原性氣氛可以是氫氣或離解氨與氮?dú)獾幕旌衔?。所述成形部件可以是氣門座圈并在約900 T至約1700 °F的溫度下析出硬化熱處理約2小時(shí)至約15小時(shí)。所述熱處理可以在惰性、氧化性或還原性氣氛中或在 真空中進(jìn)行。附圖
概述圖I是并入鉻-鐵合金(本文中稱為J153合金)的氣門座圈的氣門組裝件的橫截面圖。圖2A-2B是鑄態(tài)條件下的J153合金的光學(xué)顯微照片。圖3A-3B是鑄態(tài)條件下的J153合金的掃描電子顯微照片。發(fā)明詳述圖I描述了示例性發(fā)動(dòng)機(jī)氣門組裝件2。氣門組裝件2包括氣門4，其可滑動(dòng)地支撐在氣門桿導(dǎo)管6的內(nèi)膛中。氣門桿導(dǎo)管6是裝配到氣缸蓋8中的管狀結(jié)構(gòu)。箭頭顯示了氣門4的運(yùn)動(dòng)方向。氣門4包括插在氣門4的帽12與氣門頸14之間的氣門座面10。氣門桿16位于氣門頸14上方并安裝在氣門桿導(dǎo)管6內(nèi)。具有氣門座圈面10’的氣門座圈18例如通過壓入配合嵌入到發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋8中。氣缸蓋通常包含鑄鐵、鋁或鋁合金的鑄件。所述座圈18 (以橫截面形式顯示)優(yōu)選為環(huán)形，氣門座圈面10’在氣門4運(yùn)動(dòng)過程中與氣門座面10嚙合。本文中公開的是一種用于氣門機(jī)構(gòu)材料用途、優(yōu)選內(nèi)燃機(jī)氣門座圈的新型鉻-鐵合金(本文中稱為“J153合金”)。該鉻-鐵合金(J153合金)按重量％計(jì)包含1至3%的C(優(yōu)選I. 5至2. 3%、進(jìn)一步優(yōu)選I. 6至2. 2%)、1至3%的Si (優(yōu)選I. 6至2. 3%、進(jìn)一步優(yōu)選
1.7至2. 3%)、至多3%的Ni (優(yōu)選0. 2至2. 2%)、25至35%的Cr (優(yōu)選27至34%、進(jìn)一步優(yōu)選28至32. 5%)、I. 5至3%的Mo (優(yōu)選I. 7至2. 5%)、至多2%的W (優(yōu)選0. 04至2%、進(jìn)一步優(yōu)選0. 4至I. 5%)、2. 0至4. 0%的Nb (優(yōu)選2. 2至3. 6%)、至多3. 0%的V (優(yōu)選至多1%)、至多3. 0%的Ta (優(yōu)選至多1%)、至多I. 2%的B (優(yōu)選至多0. 7%)、至多1%的Mn (優(yōu)選0. I至0. 6%)和43至64%的Fe以及偶存雜質(zhì)。設(shè)計(jì)該J153合金的顯微組織以產(chǎn)生遍及富Cr 一次碳化物和高鉻鐵素體顯微組織均勻分散的二次強(qiáng)化相。該J153合金的鑄態(tài)顯微組織可含有約40至60體積％、優(yōu)選約50體積％的鐵素體，和約40至60體積％、優(yōu)選約50體積％的鐵素體一次碳化物。MC型碳化物、MN型氮化物或MCN型碳氮化物以球形和/或多面體形顆粒形式遍及鐵素體-碳化物基質(zhì)均勻地分布，其中M代表強(qiáng)MC、麗或MCN形成元素(former)，如Nb。此外，微細(xì)的富硼相沿富Cr 一次碳化物與高鉻鐵素體之間的邊界區(qū)域均勻分散。球形和/或多面體形顆粒的均勻分布通過阻礙壓縮應(yīng)力下的基質(zhì)位移產(chǎn)生二次強(qiáng)化，并由此提高該J153合金的各向同性機(jī)械性能。該球形和/或多面體形顆粒通過阻礙應(yīng)力下的基質(zhì)位置產(chǎn)生顯著的二次強(qiáng)化效果，由此提高了該J153合金的各向同性行為。該一次碳化物優(yōu)選是寬度為2. 5微米或更小的針狀碳化物，該強(qiáng)化相優(yōu)選是5微米或更小的多面體形碳化物、氮化物和/或碳氮化物。該J153合金不包括任何大量的馬氏體和奧氏體相。碳是J153中的重要的合金化元素，其影響合金可鑄性、顯微組織、凝固亞組織以及機(jī)械冶金行為。通常，碳含量提高可增強(qiáng)鋼材的熔融金屬流動(dòng)性。但是，由于碳是鋼材中的強(qiáng)奧氏體形成元素，因此高碳含量可以促進(jìn)奧氏體生成。已經(jīng)確定在J153合金中合適的碳含量為I至3重量％、優(yōu)選I. 5至2. 3重量％、進(jìn)一步優(yōu)選I. 6至2. 2重量％。 硼可用于提高J153合金的硬度。因?yàn)榕鹪阼F基合金中具有低溶解度，游離硼原子和/或富硼化合物傾向于沿晶界和凝固晶胞邊界分布。結(jié)果，硼和/或硼化物可有助于更細(xì)微的顯微組織和凝固亞組織。在J153合金體系中，硼含量的提高顯著提高了鑄態(tài)合金的體硬度。已經(jīng)確定在J153合金中合適的硼含量為至多I. 2重量％、優(yōu)選至多0. 7重量％。B含量優(yōu)選小于C含量。鈮對(duì)于鐵基材料中的碳具有強(qiáng)親合力，因此，生成碳化鈮(NbC)的傾向要遠(yuǎn)大于碳化鉻。鈮還可以形成氮化鈮(NbN)和/或碳氮化鈮(NbCN)顆粒。向鐵基合金中引入鈮可以顯著地將晶間腐蝕傾向減至最低。此外，鈮的碳化物/氮化物/碳氮化物通常以小的球形和/或多面體形顆粒形式形成，其均勻分布在鐵素體-碳化物基質(zhì)中。由此，鈮的碳化物/氮化物/碳氮化物充當(dāng)了 J153合金的一次強(qiáng)化機(jī)制。已經(jīng)確定在J153合金中合適的鈮含量為2. 0至4. 0重量％、優(yōu)選2. 2至3. 6重量％。Nb的含量優(yōu)選比C含量高至少0. 4重量％。鎳是奧氏體形成元素，由此可任選添加，但是可以因殘余鎳而以至多2. 5%的量存在，這些殘余鎳來自在爐中熔融含Ni合金的在先澆鑄工序。但是，鎳在鐵素體合金中的作用在于通過固溶體強(qiáng)化作用而強(qiáng)化鐵素體相。盡管鎳在鐵基合金中不會(huì)形成碳化物，但向J153合金中添加鎳可用于增大硬度。已經(jīng)確定在J153合金中合適的鎳含量為至多3. 0重量％、優(yōu)選0. 2至2. 2重量％。Nb含量優(yōu)選大于Ni含量。Ni含量優(yōu)選大于B含量。鎢對(duì)于高鉻鐵基材料中的碳具有強(qiáng)親合力，導(dǎo)致形成富鉻和鎢的一次碳化物。此夕卜，鎢還可與鐵反應(yīng)形成鐵-鎢金屬間相。由此，在J153合金中添加鎢可以提高合金強(qiáng)度與硬度。已經(jīng)確定在J153合金中合適的鎢含量為至多2. 0重量％、優(yōu)選0. 04至2. 0重量％、進(jìn)一步優(yōu)選0. 4至I. 5重量％。C含量優(yōu)選比W含量高出至少0. 45重量％。鑰是碳化物形成元素，并可能與鉻結(jié)合以形成一次碳化物。已經(jīng)確定在J153合金中合適的鑰含量為I. 5至3重量％、優(yōu)選I. 7至2. 5重量％。Cr含量對(duì)Mo含量的比率為至少 10:1。錳是奧氏體形成元素。已經(jīng)確定在J153合金中合適的錳含量為至多I. 0重量％、優(yōu)選0. I至0. 6重量％。硅是可顯著影響可鑄性和凝固模式的合金化元素。此外，硅擴(kuò)大形成O -鐵-鉻相的范圍。已經(jīng)確定在J153合金中合適的硅含量為I至3重量％、優(yōu)選I. 6至2. 3重量％、進(jìn)一步優(yōu)選I. 7至2. 3重量％。鉻是鐵素體和碳化物形成元素，并以高鉻鐵素體和富Cr 一次碳化物形式出現(xiàn)在該顯微組織中。鉻還有助于改善J153合金的耐腐蝕性。已經(jīng)確定在J153合金中合適的鉻含量為25至35重量％、優(yōu)選27至34重量％、進(jìn)一步優(yōu)選28至33. 5重量％。碳化物形成元素如釩和鉭是任選的，并可以各自以至多3重量％、優(yōu)選各自至多I重量％的量添加。評(píng)價(jià)Jl53合金進(jìn)行J153試驗(yàn)熔煉料(experimental heats)(即60磅批)的二十七個(gè)試驗(yàn)以設(shè)計(jì)和優(yōu)化含有目標(biāo)33重量％Cr的鐵-鉻合金中的鐵素體-碳化物顯微組織特征?？梢酝ㄟ^受控添加形成鐵素體的合金化元素(如Cr、Mo、W和Nb)和控制碳化物生成的能力來實(shí)現(xiàn)顯微組織控制。澆鑄溫度可為約2700 T至約3000 T，取決于鑄件尺寸。在露天感應(yīng)爐中制備所述鑄件?？梢哉{(diào)節(jié)J153合金的組成以優(yōu)化體硬度和強(qiáng)度。二十七種試驗(yàn)熔煉料的組成概述在表1-9中。體硬度通過洛氏硬度試驗(yàn)，標(biāo)度C (即HRC)來表征。
試驗(yàn)I和2是開發(fā)J153合金中的前兩個(gè)試驗(yàn)。試驗(yàn)I和2的組成及測得的體硬度概括在表I中。表I
權(quán)利要求
1. 一種鉻-鐵合金，按重量計(jì)包含 I至3%的C ； I至3%的Si ； 至多3%的Ni ；25至 35% 的 Cr ；1.5 至 3% 的 Mo ； 至多2%的W ； 2.O 至 4. 0% 的 Nb ；至多3. 0%的V ； 至多3. 0%的Ta ； 至多I. 2%的B ； 至多1%的Mn ；43 至 64% 的 Fe。
2.權(quán)利要求I的鉻-鐵合金，按重量計(jì)包含 I. 5 至 2. 3% 的 C ； I. 6 至 2. 3% 的 Si ； 0.2 至 2. 2% 的 Ni ；27 至 34% 的 Cr ； 1.7 至 2. 5% 的 Mo ；0. 04 至 2% 的 W ； 2.2 至 3. 6% 的 Nb ； 至多1%的V ； 至多I. 0%的Ta ； 至多0. 7%的B ； 0.I 至 0. 6% 的 Mn ；43 至 64% 的 Fe。
3.權(quán)利要求I 的鉻-鐵合金，進(jìn)一步包含 Al、As、Bi、Cu、Ca、Ce、Co、Hf、Mg、N、P、Pb、S、Sn、Ti、Y和Zn的一種或多種的偶存雜質(zhì)，而偶存雜質(zhì)總含量為I. 5重量％或更少。
4.權(quán)利要求I的鉻-鐵合金，包含具有遍及鐵素體-碳化物基質(zhì)分布的球形和/或多面體形顆粒的鐵素體-碳化物基質(zhì)。
5.權(quán)利要求I的鉻-鐵合金，其中所述鐵素體-碳化物基質(zhì)包含具有針狀顯微組織的一次碳化物相和具有半針狀顯微組織的鐵素體相；所述球形和/或多面體形顆粒是沿所述一次碳化物相與所述鐵素體相的相界分散的金屬碳化物、金屬氮化物和/或金屬碳氮化物。
6.權(quán)利要求5的鉻-鐵合金，其中所述一次碳化物相是富鉻的和富鑰的；所述鐵素體相是富鉻的；并且所述一次碳化物相與所述鐵素體相的所述相界是富硼的。
7.權(quán)利要求I的鉻-鐵合金，其中鉻-鐵合金具有40至56RockwellC的鑄態(tài)體硬度；在 75 450 至 500、在 1000 280 至 300、在 1600 55 至 70 的熱硬度(HVlO);在75°F下90至220KSi、在1000 °F下70至130的壓縮屈服強(qiáng)度；8X1(T6至12X1(T6/°C的線性熱膨脹系數(shù)。
8.基本由權(quán)利要求I的鉻-鐵合金制成的氣門座圈。
9.權(quán)利要求8的氣門座圈，其中所述座圈是鑄件。
10.權(quán)利要求8的氣門座圈，其中所述座圈表現(xiàn)出在1200°F下加熱20小時(shí)后每英寸座圈外徑(0. D.)小于0. 3X 10_3英寸的尺寸穩(wěn)定性。
11.制造權(quán)利要求8的氣門座圈的方法,包括機(jī)加工一片權(quán)利要求I的鉻-鐵合金。
12.制造內(nèi)燃機(jī)的方法，包括在所述內(nèi)燃機(jī)的氣缸蓋中嵌入權(quán)利要求8的氣門座圈。
13.權(quán)利要求12的方法，其中發(fā)動(dòng)機(jī)是柴油機(jī)或天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
14.運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)的方法，包括使氣門對(duì)權(quán)利要求8的氣門座圈關(guān)閉以關(guān)閉內(nèi)燃機(jī)的氣缸，并在氣缸內(nèi)點(diǎn)燃燃料以運(yùn)行所述內(nèi)燃機(jī)。
15.權(quán)利要求14的方法，其中所述氣門 (i)是聞絡(luò)鐵基合金或聞溫、鎮(zhèn)基超級(jí)合金；或 (ii )所述氣門是用由碳化物強(qiáng)化的高溫耐磨損合金表面硬化過的。
16.制造權(quán)利要求I的鉻-鐵合金的方法，其中 Ca)在約2700 °F至約3000 0F的溫度下將鉻-鐵合金由熔體澆鑄為成形部件；或(b)將所述鉻-鐵合金的粉末壓制為成形部件并在約1950 T至約2300 T的溫度下在還原性氣氛中燒結(jié)，其中所述還原性氣氛是氫氣或離解氨與氮?dú)獾幕旌衔铩?br> 17.權(quán)利要求16的方法，進(jìn)一步包括在約1325°F下的約5小時(shí)的高溫回火熱處理。
全文摘要
一種鉻-鐵合金，按重量%計(jì)包含1至3%的C、1至3%的Si、至多3%的Ni、25至35%的Cr、1.5至3%的Mo、至多2%的W、2.0至4.0%的Nb、至多3.0%的V、至多3.0%的Ta、至多1.2%的B、至多1%的Mn和43至64%的Fe。在一優(yōu)選實(shí)施方案中，所述鉻-鐵合金按重量%計(jì)包含1.5至2.3%的C、1.6至2.3%的Si、0.2至2.2%的Ni、27至34%的Cr、1.7至2.5%的Mo、0.04至2%的W、2.2至3.6%的Nb、至多1%的V、至多3.0%的Ta、至多0.7%的B、0.1至0.6%的Mn和43至64%的Fe。所述鉻-鐵合金可用于內(nèi)燃機(jī)(如柴油機(jī)或天然氣發(fā)動(dòng)機(jī))用氣門座圈。
文檔編號(hào)C22C38/40GK102741439SQ201080060649
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月5日
發(fā)明者T·特魯多, 喬從躍 申請(qǐng)人:L·E·瓊斯公司